中國實驗快堆主蒸汽系統優化設計及分析研究

紀西勝，吳 強，牛敬娟

（中國原子能科學研究院，北京102413）

中國實驗快堆（CEFR）三回路主要是將堆芯產生的熱量通過一、二回路帶出，推動汽輪機做功，將熱能轉換成機械能［1］，實現發電；在停機或事故情況下，保證核蒸汽供應系統的冷卻。為了實現以上功能，汽輪機系統主要由實現把熱能向電能轉換的主體——主蒸汽及給水加熱系統，以及為了保證設備正常運行、提高運行效率而配備的一些輔助系統組成。

主蒸汽系統的作用是將蒸汽發生器產生的蒸汽送至汽輪機發電；當蒸汽發生器產生的蒸汽不能滿足汽輪機進汽參數要求或汽輪機停機時，將蒸汽通過汽輪機旁路排放閥排放至冷凝器（凝汽器）；該系統還承擔著蒸汽發生器超壓保護的作用，當主蒸汽壓力升高的時候，通過旁路排放閥，大氣釋放閥，安全閥的依次開啟，保證蒸汽發生器的安全；還通過減溫減壓器向輔助蒸汽系統提供汽源。主蒸汽疏水管道把主蒸汽系統的凝結水排放到疏水系統。

然而在CEFR調試期間，由于主蒸汽系統閥門操作不當而引起的停堆已經發生過兩次，影響系統穩定性的同時也增加了運行成本，實際中操縱員只能手動去操作閥門，也增加了其操作過程的不安全性。

1 主蒸汽系統

1．1 主蒸汽系統問題描述

自主蒸汽系統投入以來，連接蒸汽發生器（蒸發器）和主蒸汽母管上的電動閥門F01104，F01204，F01119，F01219均不同程度地出現閥門不嚴密，閥桿漏汽等現象。閥門F01119和F01219在投入過熱器進行反暖的初期只能手動開啟，操縱員有可能被蒸汽燙傷的風險，并且在快堆發電前期分別于2011年6月9日和7月2日，兩次因F01119和F01219手動操作引起停堆。圖1是主蒸汽流程簡圖。

圖1 主蒸汽系統流程圖Fig．1 The main steam system flow diagram

1．2 原因分析

由于主蒸汽母管長期閑置，與其連接的閥門部分零件出現失效或者在高溫高壓下出現疲勞損傷，導致閥門靈敏度、控制精度不高等缺陷。在汽水轉換、過熱器反暖階段，操縱員通過電腦發出的指令，經常出現電動閥門開度過大，閥門前后間的溫差較大，使得通過的蒸汽瞬間凝結，壓力變小，造成了現場管道振動劇烈，監控畫面壓力波動較大等現象，所以觸發停堆。兩次停堆表明，操縱員在操作過程中電動閥門開啟過大是引起反應堆壓力低保護動作的直接原因。進一步分析發現，由于該電動閥門所在管道直徑為97 mm，原有系統設計為全開全關閥門，系統無法對反暖蒸汽進行低流量調節，無法減緩蒸發器出口壓力波動是導致意外停堆的根本原因。

2 旁路管道的設計

2．1 設計的目的

主蒸汽旁路管道設計目的：

1）避免因操作F01104，F01204，F01119，F01219出現閥門不嚴密，閥桿漏汽等現象；

2）在投入過熱器前進行反暖操作的工藝下，通過設計的旁路提供小股蒸汽流量對過熱器進行反暖；同時在打開主蒸汽隔離閥前先打開此閥門可均衡主蒸汽隔離閥兩側壓力，減小F01104，F01204，F01119，F01219四個電動閥門的前后壓差，便于主蒸汽隔離閥的開啟；

圖2 主蒸汽旁路管道立體圖Fig．2 Stereo diagram of the main steam bypass pipeline

3）設計的旁路管道上閥門操作方便，并且安全可靠。

2．2 具體方案

主蒸汽旁路管道設計方案如圖2所示。

水汽工況轉換后、過熱器反暖時的運行參數如下：

蒸汽發生器出口壓力P1＝7 MPa，溫度T＝290℃，單環路給水流量保護定值Q＝3．36 t／h，同時為了便于對旁路的操作和控制，在每條管道上加裝節流孔板，手動截止閥和高壓電動閥門。

2．2．1 節流孔板尺寸的確定

為了防止旁路閥門突然打開，使得主蒸汽壓力降低而引發停堆，在旁路管道上加設節流裝置。節流裝置設計的一個重要準則是在液體流動過程中最后通徑截面變窄的狹小截面內不發生汽蝕現象［2］。當孔板前后壓差小于阻塞壓差時，水流過孔板不會發生汽蝕。

式中：P1為孔板進口壓力，7 MPa；Pc為水的熱力學臨界壓力，取22．5 MPa；km為孔板經驗值，一般取0．8；P1c孔板前水的溫度所對應的飽和蒸汽壓力，查表得7．5 MPa，

代入數據求得：

這里取孔板后壓力為6．5 MPa，則孔板前后壓差ΔP＝0．5 MPa＜ΔPm，汽蝕不會發生，選取單級孔板即可。

根據《發電廠汽水管道設計技術規定》（DL／T5054-1996）的相關規定［3，4］，水管的節流孔板孔徑按下式計算：

式中：dk為節流孔板的孔徑，mm；Q為通過孔板的流量，取＝3．36 t／h；ρ為水的密度，查表得ρ＝740 kg／m3，代入數據求得：

考慮到加工配件的方便，工程選取dk＝9 mm

2．2．2 旁路管道材質、尺寸確定

參考主蒸汽母管、蒸汽發生器和過熱器疏水管道材質和尺寸，確定旁路管道材質為12Cr1Mo V，在100%額定工況下，旁路承壓＞14 MPa，參照主蒸汽母管的設計標準，確定旁路設計壓力16 MPa，設計溫度480℃，同時查表選取旁路管道管徑為φ30×5。

2．2．3 蒸汽發生器旁路管道壓損計算［5］

根據現場測量，同時考慮便于安裝和操作，管線布置如圖3所示。

圖3 管線布置圖Fig．3 Layout of bypass pipeline

1）雷諾數的大小

式中：v是流體平均流速，m／s；υ是流體運動黏度，查表υ＝0．13×10－6m2／s。

代入數據求得：

2）沿程壓損的計算

單位長度沿程壓損根據Darcy-Weisbach公式

根據雷諾數的計算，判斷出管道里的流體處于湍流區，由于管道采用的是無縫鋼管，取ε＝0．1 mm，根據Nikuradse公式

將數據代入求得1．6 m管長的旁路管道沿程壓損Pf＝14 208 Pa。

3）局部壓損的計算

局部壓損是由于彎管、閥門等附件產生的漩渦和流體微團的碰撞等造成的，壓損根據公式

式中：ζ為局部阻力系數，旁路管道共有2個閥門，2個彎管和2個變徑，計算得局部壓損Pm＝10 336 Pa。

設計的主蒸汽旁路管道計算總的壓損為0．025 MPa，如果按照節流孔板后的壓力為6．5 MPa，那么，經過旁路到達主蒸汽母管壓力為6．475 MPa，壓損較小，在閥門開啟過程中將對主蒸汽壓力波動影響降至最低，設計合理。

2．3 特殊工況計算

在蒸汽發生器事故保護狀態下，當給水電動閥完全關閉時，設計的旁路還可以承擔將蒸汽發生器內高壓水蒸氣泄壓至主蒸汽母管，再排放到凝汽器的功能，能防止蒸汽發生器內壓力進一步上升，提高了蒸汽發生器系統的安全性能。

根據蒸汽發生器水氣轉換的經驗，通過給水泵、給水再循環和啟動擴容器前的電動閥門調節來實現水氣轉換，在此工況下，單環路流量6 t／h，給水壓力10 MPa。

根據式（1）計算得ΔPm＝1．48 MPa，取經過節流孔板后前后壓差0．5 MPa＜ΔPm，故在此壓力工況下不會引起孔板汽蝕。

CEFR給水流量設定保護限制是70%，即單環路限制流量4．2 t／h。假設水蒸氣完全通過旁路，則計算為管路的最大壓降。根據公式（3）、（4）、（5）計算得總的壓損為0．042 MPa。所以在特殊工況下，設計的旁路可以作為將水蒸氣通往主蒸汽母管的作用，且旁路管道壓降損失較小。

2．4 主蒸汽系統工藝的優化

在采用上述的設計方案后，需要對快堆的水氣轉換工藝操作方法進一步優化，在9．45%核功率臺階下，蒸汽發生器出口過熱度維持在2～5℃，主蒸汽管的疏水都已基本是蒸汽的情況下，可緩慢開啟旁路管道的手動閥門，并密切注意監控畫面的壓力波動曲線，根據實際情況可操作開啟旁路上的電動閥門，待主蒸汽母管上壓力、溫度與蒸汽發生器出口一致后，再緩慢開啟電動閥門F01119，F01219。

過熱器管道反暖過程也是一樣，先開啟旁路對電動閥門F01104，F01204預暖，待閥門前后溫差較小時再將其打開，以減小管道振動。

3 結論

1）為避免手動操作閥門引起停堆，本文設計了主蒸汽旁路管道，給出了具體設計方案，并計算了過熱器反暖和特殊工況下的壓力損失，計算表明旁路管道壓損較小，設計合理。

2）根據設計的主蒸汽旁路管道，優化了主蒸汽系統的工藝流程，提出更加合理的操作方案。

3）設計的主蒸汽旁路管道在特殊工況下還可以承擔將蒸汽發生器內高壓水蒸汽泄壓至主蒸汽母管，防止蒸汽發生器內壓力進一步上升，提高了蒸汽發生器系統的安全性能。

［1］ 黃東興．中國實驗快堆蒸汽動力轉換系統講義［R］．北京：中國原子能科學研究院，2002：16-20．

［2］ 張毅雄，毛慶，向文元，等．多級節流孔板在核級管道中的應用［J］．核動力工程，2009，（4）：71-73．

［3］ DL／T5054-1996，火力發電廠汽水管道設計技術規范［S］．

［4］ 陳娟．節流孔板在發電廠的應用［J］．廣東電力，2004，（4）：46-48．

［5］ 孔瓏．工程流體力學［M］．北京：中國電力出版社，1998：112-117．